大直徑圓環類大型物件變位運輸的研究與應用

鄭聲桂

（四川東方物流集團有限公司，四川 自貢 643000）

0 引言

大型物件是指機器、設備、部件或構件，其外形尺寸或質量符合下列條件之一者：（1）長度大于（含等于）14m，或寬度大于（含等于）3.5m，或高度大于（含等于）3.0m，且不可解體或變形；（2）質量在20 000kg以上。

大直徑圓環類大型物件變位運輸技術法主要運用于超大直徑圓環類大型物件的運輸，如直徑超過7m的大型物件。由于收費站和其它空間障礙，運輸大直徑圓環類大型物件困難重重，采用常規傳統方式運輸大型物件，首先必須排除這些障礙，大型物件才能通過，這樣不僅大大增加運輸成本，而且難以保證運輸周期。采用變位運輸技術法，能在運輸過程中根據需要來調整大型物件的水平寬度和垂直高度以適應障礙空間尺寸，就能順利實現通過障礙的目的。

1 研究應用背景

在國家著力于西部大開發建設階段，一些重特大項目落戶于西部地區，由于西部地區的交通相對較為落后，道路條件較差，一些重點大件設備運輸就成為整個項目的難點。由于道路條件、空障等的限制，嚴重影響了重大設備的正常運輸，增加運輸成本，同時也難以保證運輸周期；另外，由于重大設備不能按工期準時進場，拖延重大項目的工程進度，造成的經濟損失也不可估量?；谏鲜鲈颍岢隽藢Υ笾睆綀A環類大型物件進行變位運輸的構想，并進行研究論證。推廣應用變位運輸技術，大直徑圓環類大型物件的運輸就不再成為難點，將有力地支持國家重大工程項目的建設。

2 變位運輸設計思路與結構原理

在大型水電站建設工程項目中，經常會承運一些大直徑圓環類大型物件，如上冠、底環、座環、下環等水輪機部件，其中上冠是水輪機轉輪中的一個典型的重要部件。

2.1 上冠外形及運輸尺寸

上冠是水電站水輪機轉輪中的一個重要部件，屬于大直徑圓環類大型物件范疇，屬四級超限設備，按照常規裝載運輸方式，是直接將上冠平放在半掛車板上運輸，物件超寬，運輸寬度達7.3m，常規裝載運輸時存在以下問題：（1）運輸寬度達7.3m，全程需確保道路兩側障礙物的間距大于7.5m，對道路條件要求較高，沿途的收費站需要局部拆除，同時，道路兩側間距小于7.5m的樹木、電桿、建筑物等需要移除。（2）運輸寬度達7.3m，公路運輸全程需占道行駛，同時由于大件運輸車輛行駛速度低，極易發生道路擁堵和交通事故。所以只有采用變位運輸方式運輸。上冠呈圓錐曲面形，下部外圓直徑φ8.53m，上部外圓直徑φ1.43m，高度3.1m。制造單位在加工制造時，將上冠對稱切割成三瓣，切割后兩小瓣的長度為4.5m、寬度為0.615m；大瓣的長度為8.53m，寬度為7.3m，高度為3.1m，質量96 000kg，按《電力大件運輸規范》電力大件分級標準劃分，屬于四級電力大件，上冠部件外形及尺寸如圖1。上冠部件實物外形如圖2。

圖1 上冠部件外形及尺寸圖

圖2 上冠部件實物外形圖

2.2 變位運輸設計思路

2.2.1 確定物件質心位置。確定物件質心位置是實現變位運輸重要的一步，對于一些比較規則的物件一般可以通過計算的方法來確定其質心，對于一些外形復雜且不規則物件的質心，可以從生產制造廠家獲得，上冠部件質心位置如圖3。

圖3 上冠質心位置圖

2.2.2 確定旋轉變位支點位置。質心位置確定后，將上冠質心點作為圓心進行模擬旋轉，要實現物件的旋轉變位，就必須選擇恰當的旋轉支點位置，不同的支點位置，相應工裝的結構就不一樣，工裝的受力狀況和對車輛運行穩定性的影響程度也不一樣，旋轉支點的選擇有以下6個位置：

（1）物件的質心位置。

（2）物件質心位置的水平延長線。

（3）物件質心位置以下。

（4）物件質心位置以上。

（5）將物件頂圓朝下，底圓朝上，用工裝將物件固定旋轉。

（6）利用物件的4個起吊耳板。

為了得到一個最優的可行方案，對上述每一種旋轉支點位置進行分析、比較，由于物件自身結構的特點，每種旋轉變位方案均有不同的特點，具體情況如下：

（1）旋轉支點處于質心位置上部或者下部時，其缺點是：物件在旋轉過程中，其質心位置就會隨旋轉角度的變化而沿車輛寬度方向擺動，則物件質心不位于車板中心線上，物件在運輸途中容易發生側翻事故。

（2）旋轉支點處于質心的水平延長線上時，其缺點是：支點處于物件本體之外，由于上冠底徑8.53m，則需要制作1～2根、長度9m以上的鋼梁，穿過物件底部，用螺栓將上冠連接在鋼梁上，這種結構外形龐大，工裝自身質量過大。

（3）旋轉支點處于質心位置時，工裝從上冠底部φ2.54m孔中伸入物件內部與上冠連接，這種連接方法的優點是：變位工裝旋轉軸心線與上冠的質心重合，工裝具有固定轉動中心、上冠能繞其自身質心自由轉動，并且物件在旋轉變位過程中其質心位置始終保持不變，運輸過程中物件質心始終處于車板縱向中心線上，確保了運輸車輛的穩定性。經綜合分析比較，變位工裝旋轉支點的位置按此種方案設計，如圖4。

圖4 旋轉變位支點位置圖

2.2.3 變位工裝結構原理。（1）確定工裝旋轉軸心線高度。變位工裝旋轉軸心線必須與上冠的質心重合，旋轉變位時才靈活、省力。在滿足車貨總高不大于4.95m的前提下，綜合考慮載貨車板高度、質心位置，最終確定工裝旋轉中心線高度，即支撐底座高度為1.734m，支撐底座高度位置如圖5。

圖5 支撐底座高度位置圖

（2）變位工裝結構設計。旋轉支點位置及旋轉中心高度確定后，對變位工裝進行結構設計、強度校核等工作，變位工裝整體結構原理如圖6。

圖6 結構原理圖

a）支撐底座。支撐底座主體結構為箱型鋼結構，由型鋼和鋼板焊接而成，并對受力集中部位進行了補強，支撐底座結構如圖7。

圖7 支撐底座結構圖

b）旋轉承載梁。旋轉承載梁由旋轉軸和托架構成，在旋轉軸的兩端分別焊接托架，托架的作用主要是與上冠連接，旋轉承載梁放置于支撐底座上后，旋轉軸可以繞支撐底座旋轉中心旋轉，旋轉承載梁結構如圖8。

圖8 旋轉承載梁結構圖

2.3 變位工裝主要部位強度核算

主要受力部件是：旋轉軸、連接螺栓及托架踏面。旋轉軸核算其抗彎強度，連接螺栓及托架踏面分別核算其抗剪強度。

2.3.1 旋轉軸的抗彎強度。旋轉軸選用外徑φ325mm、內徑φ245mm（壁厚40mm）的厚壁鋼管制成，旋轉承載梁質量m1=4 000kg，貨物（上冠）質量m2=96 000kg，旋轉軸受力及力矩圖，如圖9。

圖9 旋轉軸受力及力矩圖

載荷：

最大彎矩：

抗彎截面模量：

旋轉軸材質為Q235A，其許用應力[]σ=158MPa，σmax=48.5 MPa＜[]σ，所以旋轉軸抗彎強度足夠。

2.3.2 托架的抗剪強度。托架踏面處受剪切力作用，在90°角位置處焊接了加強筋，強度核算忽略加強筋的補強作用，按托架踏面主體進行強度核算。踏面長L=1.5m，厚H=0.2m，材質Q345A，箱型焊接件，踏面承載時可近似看作均勻受力，踏面受力狀況如圖10。

圖10 踏面受力圖

單側踏面剪切面面積：A=L×H=1.5×0.2=0.3m2

單側踏面的剪切力：Q=P=470 400N

托架材質為Q345A，其許用剪切應力[]τ=130MPa，τ=1.568 MPa＜[]τ，所以托架抗剪強度足夠。

2.3.3 螺栓的抗剪強度。物件（上冠）與托架的連接方式為螺栓連接，螺栓數量10，螺桿直徑d=84mm，螺栓材質45鋼。變位工裝最大旋轉角度為±26°，變位工裝旋轉至26°位置時，螺栓受到的剪切力Q最大。

最大剪切力：Qmax=m2sin 26°×9.8=96 000×0.438×9.8=412 070.4N（m2為上冠質量）

螺栓材質為45鋼，其許用剪切應力[]τ=146MPa，τmax=7.4 MPa＜[]τ，所以連接螺栓抗剪強度足夠。

2.3.4 變位旋轉拉力計算。在裝車捆綁加固階段，在上冠兩側分別設置2個5t手拉葫蘆進行加固，旋轉變位時，可分別調節兩側手拉葫蘆來實現工裝的旋轉變位。

（1）左變位時，即上冠向左傾斜，此時需放松右側葫蘆、拉緊左側葫蘆即可實現左變位，左變位狀態如圖11。

圖11 左變位狀態圖

工裝最大轉動變位角度為26°，由于變位工裝旋轉軸心線與上冠的質心重合，上冠的質心位于變位工裝的回轉中軸上，所以上冠變位旋轉時，葫蘆施加的拉力只是用來克服上冠旋轉時產生的滑動摩擦阻力，當拉力力矩大于摩擦力矩時即可實現上冠轉動。

旋轉軸直徑D=0.325m，旋轉承載梁質量m1=4 000kg，上冠質量m2=96 000kg，拉力力臂L=1.649m，摩擦系數μ=0.1，左變位拉力F左計算式如下：

左側有兩個拉點，為平均受力，旋轉時則單個葫蘆施加的拉力F左單=F左÷2=495kg。

（2）右變位時，即上冠向右傾斜，此時需放松左側葫蘆、拉緊右側葫蘆即可實現右變位。

同理，當上冠右變位時，上冠繞其質心旋轉至右側，右變位時的平衡及受力原理與左變位狀況相同，右變位拉力F右計算式如下：

右側有兩個拉點，為平均受力，旋轉時則單個葫蘆施加的拉力F右單=F右÷2=495kg。

3 結語

水輪機上冠部件變位運輸工裝按照設計方案進行加工制作并投入使用，已安全順利完成國內多個大型水電站項目二十余趟次上冠部件的變位運輸任務，按方案設計制作的變位運輸工裝滿足了上冠部件運輸要求。

變位運輸技術可應用于大直徑圓環類大型物件的運輸，采用變位運輸技術可以有效降低運輸全過程對道路障礙條件的嚴苛要求，增強了大型物件運輸的通過性及運輸安全性，降低了障礙整改工程量及整改費用。通過變位運輸實踐，對大直徑圓環類大型物件的運輸技術方法進行了一些嘗試和探索，也可為以后類似大型物件的裝載運輸方式提供一些參考和啟示。